Umweltfreundlicheren Lösungsmitteln den Weg bereiten
Die Herstellung vieler alltäglicher Gebrauchsgegenstände von Shampoo über Kunststoffe bis hin zu Pharmazeutika erfordert chemische Reaktionen. Für diese „organischen Synthesen“ werden Lösungsmittel benötigt, die traditionell aus fossilen Brennstoffen wie Erdöl und Erdgas gewonnen werden. Ein grünerer Weg ist nun in Sicht. Neue pflanzliche Lösungsmittel könnten unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen weiter reduzieren, doch aufgrund mangelnder Reaktionsstudien wird ihre Einführung ausgebremst. „Diese Wissenslücke besteht vor allem deshalb, weil biobasierte Lösungsmittel relativ neu sind und bislang noch nicht systematisch mit quantitativen physikalisch-organischen Verfahren untersucht wurden“, sagt Armin R. Ofial, Forschungsgruppenleiter an der LMU München(öffnet in neuem Fenster). Im Rahmen des innerhalb der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) unterstützten Projekts ResolveByBio versuchten Ofial und sein Team, diese Lücke zu schließen. Dazu stellten sie Daten zu elektrophilen und nukleophilen Reaktionen in biobasierten Lösungsmitteln bereit. Bei diesen Reaktionen entstehen neue Moleküle, indem zwei Reaktionspartner durch eine neue chemische Bindung miteinander verknüpft werden. Das elektronenreiche Nukleophil teilt ein Elektronenpaar mit dem elektronenarmen Elektrophil, das dieses aufnimmt, um eine neue Bindung einzugehen. „Ein zentraler Aspekt der Projektarbeit besteht darin, dass eine Brücke zwischen der fundamentalen physikalischen organischen Chemie und den realen Herausforderungen der Nachhaltigkeit gebaut wird“, fügt Ofial hinzu. „Durch eine Kombination aus kinetischer Analyse, Spektroskopie und rechnergestützten Erkenntnissen trägt diese Arbeit nicht nur zum wissenschaftlichen Verständnis bei, sondern liefert außerdem umsetzbare Werkzeuge für eine umweltfreundlichere chemische Synthese.“
Elektrophil-Nukleophil-Reaktionen prüfen
Die Reaktivität von Nukleophilen hängt vom Lösungsmittel ab, in dem die Reaktionen durchgeführt werden. Das Team von ResolveByBio konzentrierte sich auf die Quantifizierung der Reaktivität von Nukleophilen in biobasierten Lösungsmitteln, wobei zeitaufgelöste Spektroskopie zum Einsatz kam. „Dabei wurden die Zerfallsraten gefärbter, elektrophiler Reaktionspartner unter kontrollierten Bedingungen überwacht“, erklärt Ofial. Die Forschungsgruppe führte Experimente durch, um herauszufinden, mit welcher Geschwindigkeit die Reaktionen in pflanzlichen Lösungsmitteln abliefen. Anschließend wertete sie die Resultate mathematisch aus, um Werte für die Reaktivität der einzelnen Nukleophile zu berechnen. „Auf diese Weise konnten neue Daten zur Reaktivität wichtiger Klassen von Nukleophilen, wie etwa von Phosphinen und Enaminen, in biobasierten Lösungsmitteln in die gegenwärtig umfassendste Reaktivitätsskala für polare Reaktionen integriert werden“, erklärt Ofial. Diese als Mayr-Skala bekannte Datenbank enthielt bisher nur Angaben zur Reaktivität von Nukleophilen in konventionellen Lösungsmitteln auf fossiler Basis oder in wässrigen Lösungen.
Unser Wissen über pflanzliche Lösungsmittel erweitern
Gemäß einer aktuellen Studie reagierten beispielsweise Vinylazide(öffnet in neuem Fenster) im biobasierten Lösungsmittel Cyrene™(öffnet in neuem Fenster) schneller als im aus fossilen Brennstoffen gewonnenen Lösungsmittel Dichlormethan. „Dieses Ergebnis unterstreicht, dass biobasierte Lösungsmittel Vorteile bieten, da sie offensichtlich nicht nur einfach bestehende Lösungsmittel auf fossiler Basis ersetzen können, sondern zuweilen sogar einen zusätzlichen Vorteil in Form verkürzter Reaktionszeiten mit sich bringen“, merkt Ofial an.
Nachhaltigen Wandel im EU-Chemiesektor voranbringen
Aus dem Projekt gehen grundlegende Daten hervor, die für den Ersatz gefährlicher, fossiler Lösungsmittel durch nachhaltige Alternativen erforderlich sind. Nun können Forscherinnen und Forscher die Reaktionszeiten in biobasierten Lösungsmitteln vorhersagen. „Damit wird eine große Hürde für den industriellen Einsatz beseitigt“, bekräftigt Ofial. „Es wird ein direkter Beitrag zur Strategie der EU für ‚inhärent sicheres und nachhaltiges Design‘ geleistet sowie der Übergang zu sichereren, CO2-armen chemischen Prozessen sowie insgesamt weniger Industrieabfall unterstützt.“ Die Forschungsgruppe plant, ihre wissenschaftlichen Arbeiten auf ein breiteres Spektrum an Reaktionen und Lösungsmittelsystemen auszuweiten, was dazu beitragen könnte, neue Produkte auf umweltfreundlichere Weise zu entwickeln. „Im Endeffekt geht es darum, diese grundlegenden Erkenntnisse als Werkzeuge zu nutzen, um praktische Anwendungen, darunter die Synthese funktioneller Moleküle unter Einsatz umweltverträglicher Lösungsmittel, zu ermöglichen“, schließt Ofial.